膳食铁对斑马鱼跨代表型的影响：游泳能力与代谢性能的调控机制

《Frontiers in Physiology》：Intergenerational effects of dietary iron on swimming and metabolic performance in zebrafish

本研究揭示了膳食铁可用性对斑马鱼（Danio rerio）生理性能的跨代影响。通过梯度铁饲喂实验（低铁11 mg Fe/kg、中铁420 mg Fe/kg、高铁2,300 mg Fe/kg），发现亚急性高铁暴露（20天）可提升有氧代谢范围（AS）、最大代谢率（MMR）和临界游泳速度（Ucrit），并改善繁殖产出；而亚慢性暴露（40天）则削弱游泳性能并伴随组织铁负荷。子代在高/低铁处理间的游泳与代谢差异更显著，表明亲代铁状态存在跨代效应。研究强调了铁作为营养需求与生态适应调节因子的双重角色。

　　

1 引言

铁是鱼类必需的微量元素，参与氧运输、能量代谢和发育等关键生理过程。然而，铁失衡（缺乏或过量）会破坏金属稳态并损害健康。自然水体中铁浓度通常较低，但缺氧、酸化和人为活动可能导致其显著升高。尽管饮食是铁获取的主要途径，但膳食铁暴露的影响远不如水相暴露研究深入。游泳性能是反映生理能力的综合指标，与捕食逃避、觅食和繁殖成功等生态适应性密切相关。先前研究表明，铜、硒和镉等金属暴露会损害鱼类游泳能力，而一项关于马苏大麻哈鱼的研究发现铁补充（~1500 mg Fe/kg）可改善爆发游泳活动。铁直接参与线粒体呼吸和酶活性，可能影响代谢率和能量平衡。此外，亲代环境可通过营养供给、金属直接转移至配子或表观遗传重编程影响子代性状。大多数卵生鱼类如斑马鱼，早期发育依赖母体提供的卵黄营养，易受亲代影响。游泳性能在斑马鱼中具有可遗传成分，亲代金属暴露与子代游泳能力和代谢的持续变化相关。铁还可能竞争或促进其他痕量金属和主要离子的吸收，从而扰乱系统稳态。大脑、肠道、肝脏和卵巢等组织对铁暴露的反应尤为关键。本研究旨在检验膳食铁水平通过改变代谢能力和能量利用影响游泳性能，并影响繁殖成功，且这些效应可能跨代传递。

2 材料与方法

2.1 动物与实验设计

使用成年斑马鱼（Tüpfel long-fin品系），饲养于再循环系统，水温28°C，光周期14小时光照:10小时黑暗。实验前喂食商业斑马鱼颗粒饲料（Zeigler，含铁309.00 mg Fe/kg）。150尾成年鱼（约12月龄）被分为六组，进行20天或40天的膳食铁暴露（低铁、中铁、高铁），每组25尾鱼，雌雄比例近似。实验包括饲喂试验、生理评估、呼吸测定试验和重复繁殖试验。子代来自亲代暴露第15天的繁殖，在标准条件下饲养至成年后，再接受与亲代相同的膳食铁处理20天。

2.2 实验饲料制备与饲喂处理

制备三种铁含量不同的纯化饲料：低铁（11 ± 1 mg Fe/kg）、中铁（419 ± 46 mg Fe/kg）和高铁（2,280 ± 75 mg Fe/kg）。中铁饲料作为对照，因其铁含量与常规饲养的商业饲料相近。实验前，所有鱼先适应中铁饲料1周。正式暴露期间，鱼群每日喂食两次（工作日为体重的5%），周末一次。水样分析表明饲料铁浸出可忽略不计。

2.3 生理参数、组织金属负荷与能量储备

测量标准体长、湿重、条件因子、肝体指数（HSI）和性腺体指数（GSI）。收集脑、肠、肝和卵巢组织，通过ICP-MS分析痕量金属（铁、锌、锰、镍、钴、铜、硒）和主要离子（钙、钠、镁、钾）浓度。鱼体冷冻后用于糖原和甘油三酯含量的测定。

2.4 游泳与代谢性能

使用Loligo迷你游泳隧道呼吸仪进行间歇流动呼吸测定。鱼在隧道中适应30分钟后，进行临界游泳速度（U_crit）测试，水流速度每5分钟增加3.5 cm/s直至鱼疲劳。测定耗氧率（MO₂）、标准代谢率（SMR）、最大代谢率（MMR）、有氧代谢范围（AS）和运输成本（COT）。U_crit计算公式为：U_crit = U_f + (T_f/T_i) × U_i。

2.5 繁殖能力与子代对铁挑战的后续反应

在铁处理第15、25和35天进行繁殖试验。每次设置8个繁殖对（1雄1雌），收集胚胎并统计产量。测定1日龄胚胎存活率和5日龄仔鱼标准体长。第15天繁殖的子代饲养至成年后，接受与亲代相同的铁处理20天，并评估其游泳性能。

2.6 统计分析

使用R软件进行统计分析。数据正态性和方差齐性检验后，采用双因素方差分析（ANOVA）或双因素重复测量ANOVA，并进行Holm-Sidak多重比较检验。不满足参数检验条件时，使用置换检验。

3 结果

3.1 生理指数

不同铁处理20天或40天后，条件因子、HSI和GSI在雌雄鱼中各处理组间无显著差异。然而，在同一饲料处理下，第20天组的这些指数通常高于第40天组。仅中铁组雌鱼在两个时间点的生理指数保持稳定。实验期间仅记录一例死亡（低铁组第34天）。

3.2 组织痕量金属与主要离子负荷

肝脏铁浓度在所有处理中均最高。高铁暴露40天使肠道、脑、肝和卵巢中的铁积累显著增加。锌浓度在卵巢中随暴露时间增加（与处理无关），高铁处理40天使肠道锌水平升高。高铁处理40天使肠道镍和钴浓度增加。中铁组中，锰（肠道）和钴（脑）水平升高。铜水平无显著变化。主要离子浓度受铁处理影响较小，但随时间波动。处理40天时，低铁和中铁组肝钙水平高于高铁组。

3.3 游泳能力与能量代谢

在第20天和第40天，高铁组在临界游泳测试中均表现出更长的耐力。暴露20天后，高铁组的MMR、AS、U_crit和COT均显著高于其他组，但SMR无差异。至40天时，这些积极效应减弱：低铁组U_crit增加，中铁组MMR增加。各组间糖原和甘油三酯水平无显著差异，但低铁组内，糖原（40天）和甘油三酯（20天）水平有升高趋势。

3.4 繁殖性能

各处理组繁殖成功率（成功配对数/总配对数）和每次繁殖的胚胎产量无显著差异，但高铁组累计产卵量最高（比中铁组多约300枚，比低铁组多约500枚）。亲代高铁暴露35天的子代胚胎存活率最高。亲代高铁暴露15天的子代标准体长最小，但暴露35天使子代体长显著增加。中铁组亲代暴露35天后，子代体长也增加。低铁暴露时间不影响子代体长。胚胎金属分析显示，第15天时铁含量最高；第35天时锌含量更高。第15天，高铁亲代胚胎铜含量高于低铁组。第35天，高铁亲代胚胎的钙、镁、钠含量显著高于低铁组。

3.5 子代的生理状况、游泳性能与代谢率

3.5.1 生理状况

子代经20天铁暴露后，体重、体长和条件因子在各处理间无显著差异，且与亲代第20天时相当。

3.5.2 游泳与代谢参数

子代游泳与代谢趋势与亲代第20天时相似。高铁子代游泳性能显著改善，最大持续游泳速度达35 cm/s（低铁子代为24.5 cm/s）。高铁子代的MMR、AS和U_crit均升高。低铁与高铁子代间的U_crit和疲劳时间差异比亲代更显著，表明跨代效应放大。

4 讨论

4.1 概述与成年斑马鱼对膳食铁水平的生理反应

斑马鱼耐受亚慢性低铁暴露而无重大生理缺陷，可能得益于暴露前积累的铁储备。生理指数在第20天普遍高于第40天，可能与初始体重差异及重复繁殖的消耗有关，尤其体现在GSI降低。仅中铁饲料（最接近常规饲料）能维持雌鱼所有生理指数的稳定。高铁补充未见普遍生理条件获益， prolonged exposure甚至导致条件因子和HSI下降。

4.2 组织痕量金属与主要离子负荷

肠道是受膳食铁处理影响最显著的器官，多种金属/离子浓度发生变化，反映了DMT1等共享金属转运途径的复杂相互作用。高铁暴露导致多组织铁积累，尤其是脑和肠，可能具有功能意义。低铁组能维持与中铁组相当的铁水平，表明预存铁储备或足以缓冲铁失调。

4.3 游泳能力与能量代谢

亚急性铁补充显示出营养益处，显著增强持续游泳能力和代谢率。性能改善可能与铁促进ATP和血红蛋白合成，满足游泳时增加的氧和能量需求有关。然而，亚慢性高铁暴露后游泳性能提升出现平台期或减弱，提示 prolonged exposure可能导致毒性，引发能量分配的代谢权衡（如用于解毒），从而限制运动能力。组织铁积累可能是潜在毒性机制。

4.4 繁殖产出与早期发育

高铁补充改善了繁殖产出、胚胎存活和早期仔鱼生长。繁殖产出存在固有变异性，且随繁殖次数增加而下降。胚胎金属含量与产卵量呈负相关，可能反映母体营养耗竭或选择性分配。亲代铁状态影响胚胎中某些痕量金属（如锰）和主要离子（如钙、钠、镁）的沉积，而非铁本身。

4.5 子代生理反应与游泳性能

本研究最引人注目的发现是膳食铁暴露能引起子代性能的跨代效应。亲代亚急性高铁暴露的子代，其有氧代谢范围和游泳性能显著增强，且高/低铁子代间的差异比亲代更明显。机制可能涉及母体通过配子转移营养物质或表观遗传重编程（如DNA甲基化、组蛋白修饰）。尽管胚胎铁含量无差异，但表观遗传机制可能导致性状的持续改变。这凸显了亲代铁状态对子代适应性的持久影响。

4.6 结论

膳食铁可用性可塑造斑马鱼亲代和子代的生理性能。亚急性高铁暴露增强游泳和代谢性能，而亚慢性暴露导致组织铁负荷和性能收益减弱。子代表现出更显著的性能差异，揭示了膳食铁的跨代效应。从生态学角度看，淡水环境中铁的波动可能通过影响鱼类游泳能力、觅食效率和繁殖成功，进而影响种群动态。在 aquaculture 中，优化饲料铁含量可能提升子代的生长和抵抗力。未来研究应聚焦于铁与能量代谢的分子生理机制、表观遗传修饰、转运蛋白调控以及与其他痕量金属的相互作用。